Das Forschungsprojekt FE 07.0317 befasste sich mit der umfassenden rheologischen Charakterisierung und Differenzierung von Füller-Bitumen-Gemischen (Mastix) im Dynamischen Scherrheometer (DSR). Dabei wurden unterschiedliche Prüfmethoden zur Ansprache von temperaturabhängigen viskoelastischen Eigenschaften, Verformungsverhalten, Ermüdungsverhalten und Tieftemperaturverhalten identifiziert, erprobt, weiterentwickelt und validiert. Die im Projekt verwendeten Materialien umfassen 11 unterschiedliche, bautechnisch relevante Bitumen sowie 15 unterschiedliche bautechnisch relevante Füller. Aus den Komponenten wurden diverse Mastixvarianten hergestellt, wobei aus dem Füller nur die Korngröße ≤ 0,063 mm berücksichtigt wurde. Die Mastixherstellung wurde unter Variation der Verfahrensparameter systematisch erprobt, um ein geeignetes und zuverlässiges Mischverfahren festzulegen. Im Projektverlauf wurde ein maximales Füller-Bitumen-Verhältnis von 3 als labor-technische Anwendungsgrenze für die zuverlässige Herstellung und Prüfung von Mastix festgestellt. Mit zunehmender Lagerungsdauer wurde eine deutliche Steifigkeitszunahme von Mastixproben beobachtet, die bei Raumtemperatur deutlich stärker ausgeprägt ist, als bei Lagerung im Kühlschrank bzw. im Gefrierschrank. Das Phänomen wird mutmaßlich auf eine Absorption der leichten Bitumenfraktionen im Füller zurückgeführt. Eine Lagerung von Mastixproben bis zu 7 Tage erscheint als unproblematisch. Die Lagerung im Kühlschrank wird empfohlen. Aus der nationalen und internationalen Literatur wurden die vielversprechendsten Prüfverfahren zur Mastixansprache im DSR ausgewählt, umfangreich erprobt und hinsichtlich ihrer Tauglichkeit bewertet. Die nachfolgenden ausgewählten und weiterentwickelten Prüfmethoden wurden anschließend anhand von 82 Mastixvarianten validiert: ein Temperatur-Frequenz-Sweep von 20 bis 60 °C mit 8 mm Messgeometrie zur Untersuchung der viskoelastischen Eigenschaften, der Multiple Stress Creep and Recovery Test (MSCRT) bei einer Temperatur von 60 °C mit 25 mm Messgeometrie und eine Relaxationsprüfung bei einer Prüftemperatur von -20 °C mit der 4 mm Messgeometrie. Die gewählten Prüfverfahren sind in marktüblichen DSR-Geräten unterschiedlicher Gerätehersteller mit laborökonomischen Prüfdauern anwendbar. Die Ergebnisse sind aussagekräftig, präzise, einfach interpretierbar und erlauben eine schnelle, zuverlässige und eindeutige Differenzierung unterschiedlicher Varianten an Füller-Bitumen-Gemischen. Mit den identifizierten aussagekräftigen Materialparametern wurde ein Bewertungshintergrund geschaffen, der Hinweise über den Einfluss unterschiedlicher Füller-Bitumen-Kombinationen mit unterschiedlichen Massenverhältnissen auf die interessierenden Materialeigenschaften liefert. Bei allen Materialeigenschaften zeigt das in der Mastix verwendete Bitumen einen übergeordneten Einfluss auf die Prüfergebnisse. Es kann ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Füller-Bitumen-Verhältnis und den maßgebenden Mastixeigenschaften festgestellt werden. Anhand der versteifenden Wirkung vom komplexen Schermodul wurde eine eindeutige und materialspezifische Füller-Bitumen-Interaktion festgestellt. Unterschiedliche Füllereinflüsse konnten am ehesten anhand des Kriechverhaltens jedoch kaum anhand des Kälteverhaltens festgestellt werden. Die Verwendung von reinem Kalkhydrat führt zu einer starken Versteifung und damit einem hohen Verformungswiderstand bei gleichzeitig nachteiligem Kälteverhalten. Die Prüfverfahren haben eine Wiederholpräzision im Bereich von 10 bis 15 % (mit einer statistischen Sicherheit von 95 %) und eine Vergleichpräzision im Bereich von 15 bis 30 % (mit einer statistischen Sicherheit von 95 %). Sie entsprechen damit der typischen Prüfpräzision von rheologischen Prüfverfahren. Die Durchführung von Ermüdungsprüfungen von Mastix im DSR ist insgesamt kritisch zu sehen. Es gibt eine große Variabilität von möglichen Prüfparametern, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Prüfergebnisse haben. Es ist unklar, ob Deformationsregelung oder Spannungsregelung das tatsächliche Materialverhalten besser abbildet und welche Regelung sich besser für eine (plausible) Differenzierung unterschiedlicher Mastixvarianten eignet. Darüber hinaus existiert ein maßgeblicher Einfluss aus den Gerätekonstruktionen von unterschiedlichen Rheometern, sodass Ergebnisse nicht miteinander vergleichbar und damit nicht für eine geräteübergreifende Charakterisierung geeignet sind.

Dämpfe und Aerosole finden seit vielen Jahren in der Asphaltbranche Beachtung. Bereits im Jahr 1997 wurde der „Gesprächskreis Bitumen“ gegründet, der sich seither mit den Gesundheitsgefahren bei Arbeiten mit Bitumen beschäftigt. Die Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft (BG BAU) hat in den vergangenen Jahren an zahlreichen Baustellen den Einbau von Asphalt messtechnisch begleitet und die dabei entstehenden Dämpfe und Aerosole in über 4500 Fällen gemessen. Auf Basis dieser umfangreichen Messungen hat der Ausschuss für Gefahrenstoffe in seiner Sitzung am 19./20.11.2019 beschlossen, dass der Arbeitsplatzgrenzwert für Dämpfe und Aerosole bei der Heißverarbeitung von Bitumen entsprechend den MAK-Empfehlungen auf 1,5 mg/m³ (Bitumenkondensat-Standard; BKS) festgelegt wird. Dieser Grenzwert wird allerdings für einen Zeitraum von zunächst 5 Jahren ausgesetzt. Durch die Auswahl der Proben soll ein repräsentativer Querschnitt der in Deutschland eingesetzten Asphalte mit und ohne Ausbauasphalt und Bitumen bzw. Polymermodifizierten Bitumen und sichergestellt werden. Zudem fanden zwei Zusätze Verwendung. Die Auswertungen zu den untersuchten Untersuchungsvarianten zeigen auf, dass Asphaltart / -sorte, Bindemittelart bzw. -sorte (Grundbindemittel, Art und Menge der zugegebene Polymere, Viskositätsverändernde Zusätze) sowie der Bitumenhersteller sich auf die Emissionen auswirken können. Den stärksten Einfluss auf die Emissionen scheinen die Bitumenhersteller und Bindemittelart/-sorte zu haben. Aussagen der Bindemittelhersteller legen nahe, dass die Herstellung des Bitumens eine entscheidende Rolle spielt. Der Einfluss der Asphaltart/-sorte auf die Emissionen fällt kleiner aus als erwartet. Aufgrund der Untersuchungen zeigt sich, dass sich eine Erniedrigung bzw. Erhöhung des Bindemittelgehalts um ±0,5 M.-% nicht systematisch auf die Emissionen auswirkt. Die Variation der Temperatur führt zu deutlichen Veränderungen der Emissionen. Die Untersuchungen, die bei 140 °C durchgeführt wurden, zeigen eine Reduktion auf weniger als die Hälfte im Vergleich zu Untersuchungen bei 160 °C. Für die Temperaturen 140 und 120 °C lässt sich eine analoge Reduktion feststellen. Die Variation des Asphaltgranulatgehaltes führt zu kleinen Veränderungen der Emissionen. Tendenziell scheinen die Emissionen mit zunehmendem Gehalt an Asphaltgranulat leicht abzunehmen. Da es sich bei Asphaltgranulat um ein wiederverwertetes Material handelt, das bereits heißverarbeitet wurde, und die Menge an Frischbitumen bei Einsatz von Asphaltgranulat reduziert ist, ist davon auszugehen, dass die hohen Emissionen hier in geringerem Maße auftreten. Das hier für die Untersuchung von Asphalten im Labor entwickelte Verfahren kann dazu dienen, die verschiedenen Bitumen und bitumenhaltigen Bindemittel grundsätzlich hinsichtlich ihrer Emissionen einzuordnen. Es ist jedoch dringend geboten, die Laborergebnisse durch Messungen in situ zu untermauern.

Rechnerische Analysen im Zuge der Dimensionierung und Substanzbewertung gewinnen im Betonstraßenbau zunehmend an Bedeutung. Eine hinreichende Kenntnis über das im nationalen Betonstraßenbau spezifische thermische Ausdehnungsverhalten des Baustoffs Beton ist für eine adäquate Berücksichtigung bei der Modellbildung essenziell. Den aktuellen Ansätzen liegen ingenieurtechnische Annahmen zugrunde, die auf allgemeinen Richtwerten aus den 1960er Jahren basieren. Eine systematische und gezielte Verknüpfung mit aktuelleren Erkenntnissen sowie auf den nationalen Betonstraßenbau ausgerichtete labortechnische Untersuchungen fehlen. Derzeit existieren national und europäisch jedoch keine standardisierten oder genormten Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Wärmedehnzahl von Beton. Diese Arbeit verfolgt zusammenfassend folgende konkrete Zielstellungen: a) Erstellung einer geschlossenen Abhandlung zur Thematik der Wärmedehnzahl von Betonen mit spezifischer Ausrichtung auf den nationalen Straßenbau und die Verwendung des Kennwertes für rechnerische Analysen b) Schaffung von Grundlagen für die Aufnahme eines Prüfverfahrens zur Bestimmung der Wärmedehnzahl in die TP B-StB [1] c) Überprüfung vorhandener Literaturwerte hinsichtlich der spezifischen Verwendbarkeit im Betonstraßenbau d) Bewertung des aktuellen Dimensionierungsansatzes in den RDO Beton [2] In Kontext der Verwendung von Wärmedehnzahlen für rechnerische Analysen im Betonstraßenbau ergibt sich eine sehr hohe Bedeutung in Bezug auf zwei Komplexe, die für die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndecken aus Beton entscheidend sind. Zum einen beeinflusst die Wärmedehnzahl maßgeblich das Längs- und Querdehnungsverhalten der Decke. Zum anderen stellt sie einen maßgebenden Parameter für die rechnerische Dimensionierung [2] dar. Darüber hinaus hängt der maßgebende Anteil der mechanischen Beanspruchung von Fugenfüllsystemen bei Decken in Plattenbauweise insbesondere auch von der Wärme-dehnzahl des Betons ab. Zur Bewertung der Genauigkeit experimentell bestimmter Wärmedehnzahlen wurden in [3] Sensitivitätsanalysen mit den rechnerischen Verfahren zur Dimensionierung und Subs-tanzbewertung durchgeführt. Im Ergebnis sollte bei der Bestimmung von Wärmedehnzahlen zur Nutzung als Eingangsdaten in die Berechnungen eine relativ hohe Genauigkeit von ± 0,3 ∙ 10-6/K angestrebt werden. Es wurden zwei Prüfansätze zur experimentellen Bestimmung der Wärmedehnzahl entwickelt, angewendet und kritisch analysiert. Zur Messung der thermisch bedingten Längen¬änderung werden ein Setzungsdehnungsmesser mit digitaler Messuhr (Prüfansatz 1) sowie induktive Wegaufnehmer (Prüfansatz 2) verwendet. Es zeigt sich, dass insbesondere unter Verwendung von induktiven Wegaufnehmern eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Mess¬ergebnisse erzielt werden kann. Um die Richtigkeit der Prüfergebnisse beurteilen zu können, wurden Bezugswerte an Referenzmaterialien anhand von Dilatometermessungen an verschiedenen Instituten ermittelt. Für den hier betrachteten Temperaturbereich zwischen 0 °C und 40 °C ergeben sich mittlere Wärmedehnzahlen für eine Edelstahl- bzw. Aluminium-Legierung in Höhe von 15,40 · 10-6/K bzw. 21,69 · 10-6/K. In Vergleichsuntersuchungen wurde eine sehr gute Annäherung der Prüfergebnisse bei Verwendung von Prüfansatz 1 (PA1) sowie von Prüfansatz 2 (PA2) mit einer Aluminium-Legierung als Kalibriermaterial an die Bezugswerte erzielt. Die Abweichungen liegen zwischen 0,07 bis 0,21 · 10-6/K. Eine erste allgemeine Einschätzung zur Genauigkeit der Prüfergebnisse zeigt, dass bei Verwendung von PA2 die geforderte Genauigkeit des Prüfergebnisses von ± 0,3 · 10-6/K bei einem Konfidenzniveau von 95 % auch bei sehr kleinen Stichproben erfüllt wird. Bei PA1 kann bei größeren Stichproben dieser Genauigkeitsanforderung entsprochen werden. Vor dem Hintergrund einer höheren Praktikabilität wird der PA1 für die umfassenden Bestandsuntersuchungen herangezogen. Den Bestandsuntersuchungen lag eine Stichprobe von 58 Bestandsstrecken aus dem BAB-Netz zugrunde. Die Probekörper wurden auf den maßgebenden lufttrockenen Zustand konditioniert. Es ergaben sich Wärmedehnzahlen der Straßenbetone für die einzelnen untersuchten Schichten zwischen 7,4 – 12,2 ∙ 10-6/K, wobei – wie zu erwarten – die niedri-gen Dehnungswerte bei kalkreichen Gesteinskörnungen und die höheren Werte bei Kiesen mit einem hohen Anteil an Quarzgestein festgestellt wurden. Der aktuell für den Regelfall in der rechnerischen Dimensionierung vorgesehene Richtwert für die Wärmedehnzahl von 11,5 ∙ 10-6/K wird in 7,5 % der untersuchten Betone überschritten. Die verfügbaren Literaturwerte können in Form der angegeben Mittelwerte nur als Orientierung herangezogen werden. Für die im Straßenbau zum Einsatz kommenden Kiese, welche hinsichtlich der Gesteinsart heterogen zusammengesetzt sind, liegen keine Literaturwerte vor. Orientierungsmessungen zum Einfluss der Betonfeuchte auf die Wärmedehnzahl zeigen, dass bei wassergesättigten Proben im Vergleich zu lufttrockenen die Wärmedehnzahl durchschnittlich um 2,7 ∙ 10-6/K geringer ausfällt. Bei der Bestimmung der Wärmedehnzahl an wassergesättigten Probekörpern sollte das Prüfergebnis nach aktuellem Wissensstand um 25 % erhöht werden. Aufbauend auf dieser Arbeit sollte zur Überführung eines Prüfverfahrens in die TP B-StB zunächst eine Arbeitsanleitung für einen Prüfansatz oder mehrere Prüfansätze erarbeitet und anschließend ein Ringversuch zur Bestimmung der Präzisionskenndaten durchgeführt werden. Zur Qualitätssicherung wird es als zwingend erforderlich angesehen, durch eine zentrale Stelle Referenzprismen aus Metall mit zugehörigem Bezugswert für die Wärme¬dehnzahl zur Verfügung zu stellen. Perspektivisch sollten die Bestandsuntersuchungen systematisch fortgesetzt werden, um zum einen ein verbessertes Verständnis zur zeitlichen Entwicklung der Wärmdehnzahlen von Straßenbetonen in situ zu erlangen und zum anderen die Datenbasis insbesondere von Betonen mit hohem thermischen Dehnungsvermögen zu erhöhen. Darüber hinaus sollten vor dem Hintergrund des hohen Einflusses aus dem Feuchtegehalt des Betons die realen Feuchteverteilungen über die Deckenhöhe sowie innerhalb einer Fahrbahnplatte (Platten¬mitte, Plattenrand) eruiert werden, um Rückschlüsse auf die feuchtebedingten Streuungen der Wärmedehnzahl im Bauteil ziehen zu können. Bei der vorliegenden Veröffentlichung handelt es sich um eine von der „Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart“ genehmigte Dissertation zum Erwerb des Doktorgrades. Die mündliche Prüfung fand am 12.04.2024 statt. Gutach¬ter waren Herr Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht und Herr Prof. Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher.

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens FE 05.0195 wurden eine Fallstudie, Feld- und Laboruntersuchungen, Berechnungen und Technikumsversuche durchgeführt, um den Einfluss von temporär auftretendem Grund- oder Schichtwasser auf die Böschungsstandsicherheit zu untersuchen. Ziel war es, anhand dieser Ergebnisse zum einen die maßgeblichen Einflüsse auf die Böschungsstandsicherheit zu erkennen, Empfehlungen für Erkundungsmaßnahmen aufzustellen sowie Empfehlungen für die Planung herauszuarbeiten. Die Datenbank, welche zur Fallstudie erstellt wurde, gibt als Schadensursache häufig eine dedizierte Scherfläche bzw. das Versagen auf einer meist bindigen, aufgeweichten Zone einer Schichtgrenze an. Dies deutet nicht nur auf ein temporäres Abfließen von Wasser auf Schichtgrenzen mit Durchlässigkeitsunterschieden hin, sondern auch auf eine gewisse Einwirkzeit des Wassers in der Böschung. Bei der Beschreibung größerer Schichtpakete hat sich im Zuge der Felduntersuchungen herausgestellt, dass es nicht ausreichend ist, die Begrifflichkeit „Wechsellagerung“ zu verwenden. Vielmehr wird eine feingliedrige Betrachtung der einzelnen Schichtglieder bzw. deren Erstreckung und Neigung erforderlich. Bei einigen der für dieses Forschungsvorhaben ausgewählten Projekte konnten auf diese Weise eine Wasserführung auf bindigen Schichtgliedern sowie korrespondierende Wasseraustritte aus der Böschung in Zusammenhang gebracht werden. Die Veränderung des Wassergehaltes und damit auch der Scherparameter in bindigen und an wasserführende Schichten angrenzenden Böden konnte sowohl in Labor- wie Technikumsversuchen bestätigt werden. So konnte beispielsweise infolge eines simulierten Wasseraufstaus in einer Schicht und des damit ausgelösten erhöhten Drucks auf die Andeckung stellenweise eine erhebliche Durchfeuchtung mit Anzeichen eines beginnenden Böschungsversagens festgestellt werden. Ferner konnten auch Effekte wie Ausschwemmung bzw. Erosion festgestellt werden. Die Berechnungen, bei denen verschiedene direkte und indirekte Einflüsse aus strömendem oder stauendem Wasser in wasserführenden Schichten untersucht worden sind, zeigen, dass eine Durchströmung von einzelnen Schichten einer Böschung nur zu einer mäßigen Verringerung der Standsicherheit führen. Ebenfalls haben geringfügige Abminderungen der Scherparameter nur einen untergeordneten Einfluss auf die Standsicherheit der Böschung und wirken sich erst bei großen Abminderungen aus. Zu einem deutlichen Einfluss auf die Standsicherheit kommt es jedoch bei einem Aufstau von Schichtwasser in einzelnen Horizonten, der zum Beispiel durch eine undurchlässige Böschungsandeckung ausgelöst werden kann und wird noch verstärkt, wenn es aufgrund von Durchnässungen zu einer Abnahme von Scherparametern kommt. Die Kombination aus numerischer Strömungsberechnung mit einer konventionellen Standsicherheitsberechnung dient somit zur Prognose von Standsicherheitsdefiziten unter Berücksichtigung von Schichtwasservorkommen. Auftretendes Grundwasser wird in der Geotechnik meist in Grundwassermessstellen oder über Tensiometer gemessen. Bei Vorhandensein von geschlossenen Grundwasservorkommen ist dies recht zuverlässig ausführbar, bei temporär auftretenden Schichtwasservorkommen sind jedoch grundsätzlich andere Anforderungen gegeben, da Höhenlage und Mächtigkeit zumeist unbekannt sind. Als Alternative zu den direkten Messverfahren können indirekte Messverfahren mit Feuchtemesssensoren eingesetzt werden. Indirekte Messverfahren messen nicht das Wasser selbst, sondern vom Wasser abhängige Substanzeigenschaften und bedürfen zur Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen gemessenem Signal und dem Wassergehalt einer Kalibrierung. Als geeignetes Verfahren ist das Mikrowellen-Verfahren anzusehen. Es hat sich jedoch im Zuge des Forschungsvorhabens herausgestellt, dass das Messverfahren für den angestrebten Einsatzzweck noch nicht marktreif vorliegt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden abschließend Empfehlungen zur Erkundung aufgestellt, um kritische Baugrundkonstellationen ermitteln zu können. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Aspekte wie die detaillierte Betrachtung von Wechsellagerungen, Ausführung großkalibriger Kernbohrungen, Untersuchungen der Veränderlichkeit des Gesteins, Abschätzung der Fließgefährdung. Ebenso wurden Empfehlungen erarbeitet, die wesentliche Aspekte benennen, welche im Rahmen der Planung zu berücksichtigen sind. Dabei sind insbesondere die Empfehlungen des Baugrundgutachtens sorgfältig auszuwerten. Die Ergebnisse der Standsicherheitsberechnungen sind mit dem geotechnischen Bericht zusammenzuführen. In den Standsicherheitsberechnungen sind die Porenwasserdrucklinien in möglichen Schichtwasserhorizonten zu berücksichtigen, ggf. werden Variationsrechnungen erforderlich.

Entsprechend dem Kreislaufwirtschaftsgesetz sollen bis 2020 mindestens 70 % der nicht gefährlichen Bau- und Abbruchabfälle einer Vorbereitung zur Wiederverwendung, dem Recycling oder einer sonstigen stofflichen Verwertung zugeführt werden. Um dieses Ziel zu erreichen müssen Materialien, die bisher als mineralischer Abfall abgelagert wurden, deutlich stärker als Sekundärbaustoffe verwendet werden. Für drei dieser Stoffgruppen sollten durch dieses Forschungsprojekt die Grundlagen für eine nachhaltige Materialverwendung im Erdbau erweitert und Vorbehalte abgebaut werden. Bei den Stoffgruppen handelt es sich um: a) organogene Böden bzw. Böden mit organischen Bestandteilen, b) Böden mit geringer Konsistenz sowie c) Sekundärbaustoffe (RC-Baustoffe, Böden mit Fremdbestandteilen, industrielle Nebenprodukte). Die Möglichkeiten und Grenzen der Verwendung von organogenen Böden bzw. Böden mit organischen Bestandteilen wurden im ersten Teil des Projektes erörtert. Neben der umfassenden Auswertung von Literaturquellen stehen mit den eigenen Untersuchungen nun umfassende Ergebnisse und ein Schema für eine erste Beurteilung bautechnischen Verhaltens solcher Böden zur Verfügung. Möglichkeiten zur Verbesserung und des Einsatzes von Böden mit geringer Konsistenz wurden im zweiten Teil dieses Projektes näher untersucht. Die Untersuchungen erfolgten anhand ausgewählter fein- und gemischtkörniger Böden. Anhand der Ergebnisse wurden die möglichen Einsatzbereiche unterschiedlicher Strategien zur Verwendbarmachung (z. B. Bodenverbesserung, Entwässerung) bewertet und Hinweise auf Einschränkungen gegeben. Im letzten Teil des Forschungsprojektes wurden die erdbautechnischen Eigenschaften von Recyclingmaterialien und HMV-Aschen untersucht. Grundsätzlich bestätigen die Untersuchungen die durchaus hochwertigen bautechnischen Eigenschaften dieser Materialien. Gleichzeitig zeigen Sie auch typische Schwächen solcher Materialien auf.

Der Zeitraum zwischen Herstellung und Verkehrsfreigabe einer Asphaltdeckschicht beträgt nach ZTV Asphalt-StB 07 wenigstens 24 Stunden. Durch den stetig wachsenden Zeitdruck wird diese Zeitspanne – oftmals als Sonderbauweise beispielsweise unter Verwendung viskositätsverändernder Zusätze – immer häufiger unterschritten. Die so verkürzten Zeitspannen sind jedoch weitestgehend willkürlich. Daher wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes drei Verfahren zur Bestimmung des frühestmöglichen Zeitpunktes der Verkehrsfreigabe nach dem Asphalteinbau erprobt: der PVE-Tester, das modifizierte leichte Fallgewichtsgerät (mod. LFGG) und der Impulshammer. Mit dem PVE-Tester wird die Asphaltoberflächen statisch be- und im Anschluss entlastet. Die irreversible Eindringtiefe am Ende der Entlastungsphase ist ebenso wie die irreversible Eindringtiefe, die nach fünf Belastungsstößen mit dem mod. LFGG als bleibende Deformation verbleibt, ein relativ präzises Maß für die Verformungsbeständigkeit des Asphalts. Mit beiden Geräten werden die Asphalte sehr ähnlich bewertet. Die mittels Impulshammer in situ gemessene mechanische Impedanz wies dagegen eine nicht ausreichende Präzision auf und ist mit der hier verwendeten Prüfanordnung für den vorgesehenen Zweck nicht geeignet. Auswirkungen unterschiedlicher Asphaltkomponenten wie abweichende Kornzusammensetzungen oder der Einfluss viskositätsverändernder Bindemittelzusätze sind aufgrund der Präzisionen der Messgeräte nur als Tendenz aber nicht quantitativ festzustellen. Mit dem PVE-Tester und dem mod. LFGG konnten erste Anhaltswerte für eine frühestmögliche Verkehrsfreigabe in situ bestimmt werden. Nach einer weitergehenden Konkretisierung und Absicherung dieser Anhaltswerte wäre nach den Erfahrungen aus diesem FE-Projekt zukünftig bei zahlreichen Baumaßnahmen eine Verkehrsfreigabe nach weniger als 24 Stunden möglich.

Für das Forschungsvorhaben wurden Performance-Kennwerte in den Phasen der Asphaltmischgutkonzeption, Asphaltmischgutproduktion und nach dem Asphalteinbau an 21 Baumaßnahmen für die Asphaltdeck-, -binder- und -tragschicht systematisch erfasst und ausgewertet. Als Performance-Kennwerte dienten die Ergebnisse aus den Prüfungen zur Steifigkeit, zum Widerstand gegen Kälterissbildung, zum Ermüdungs- und Verformungs-widerstand sowie zur Griffigkeitsentwicklung. Die Untersuchungen lieferten wichtige Erkenntnisse und Tendenzen bei einzelnen Performance-Kennwerten, die bereits jetzt für zwei methodische Ansätze zur Festlegung künftiger vertragsrelevanter Anforderungen genutzt werden konnten: Einerseits wurde ein Vorschlag für eine spezifische Kategorisierung von Performance-Kennwerten innerhalb der europäischen Normung aufgezeigt, andererseits konnte mit Hilfe multipler linearer Regressionsanalysen ein möglicher Weg zur Abschätzung von Performance-Kenngrößen der fertigen Schicht aus der Erstprüfung aufgezeigt werden, sodass Anforderungswerte vorab definiert werden können. Zudem zeigte sich, dass, auch wenn im Wesentlichen die Ergebnisse der konventionellen Asphaltkontrollprüfungen die Anforderungen der ZTV Asphalt erfüllen, es nicht sichergestellt ist, dass Nutzungsdauern von mindestens 30 Jahren erreicht werden können. Dies resultiert im Wesentlichen aus den Unterschieden der Performance-Kenngrößen der drei Phasen, vor allem der Ermüdungsversuche. Deshalb wurden für die Modifikation des Sicherheitskonzeptes für die rechnerische Dimensionierung zwei Ansätze vorgestellt. Es erscheint aber zwingend erforderlich, dass durch weitere Untersuchungen die erstellte Datenbank ergänzt wird. Zudem sollten die im Projekt untersuchten Strecken einer weiteren Beobachtung unterzogen werden, um den Prozess der Alterung erfassen zu können. Damit kann auch eine Validierung des Dimensionierungsverfahrens erfolgen.

An insgesamt zehn willkürlich ausgewählten Baustellen wurden Gussasphaltproben für Kontrollprüfungen entnommen. Gleichzeitig wurden unmittelbar auf den Baustellen Probekörper hergestellt, deren Mischgut nicht - wie bei Kontrollprüfungen üblich - ein zweites Mal erhitzt werden musste. Die Untersuchungen ergaben, dass keine signifikanten Unterschiede bei den statischen und dynamischen Eindringtiefen vorliegen, wenn die Gussasphalttemperaturen bei der Herstellung der Proben 210 -°C, 230 -°C oder 250 -°C betragen haben. Die bei einer Gussasphalttemperatur von 230 -°C hergestellten Proben weisen keine Unterschiede in ihrer Verformungsbeständigkeit auf, wenn die Proben bis zur Prüfung 24, 48 oder 96 Stunden gelagert waren. Das Ergebnis der Eindringtiefen (statisch und dynamisch) unterscheidet sich, ob die Proben unmittelbar auf der Baustelle hergestellt werden oder - wie bei den Kontrollprüfungen - nach nochmaligem Erhitzen der Gussasphaltmassen im Labor. Der Gussasphalt auf der Baustelle in Probenformen eingefüllt ist eindruckempfindlicher. Die Ergebnisse differenzieren um einen konstanten Faktor von 1,3 - 1,5. Insoweit kann das bisherige Verfahren bei Kontrollprüfungen NT-Gussasphalte in Schalen abgefüllt und abgekühlt zur Herstellung von Probewürfeln für ETstat oder Zylinder für ETdyn ins Labor zur bringen beibehalten werden. Man müsste nur die Grenzwerte für die Beurteilung der NT-Gussasphalte entsprechend festlegen. Das bisherige Verfahren, die Proben nicht direkt auf der Baustelle herzustellen, hat den großen Vorteil, dass keine Stromaggregate und Trockenschränke mitgeführt werden müssen, die in schwierigem Gelände unter freiem Himmel die Herstellung der Proben behindern und zu größeren Streuungen der Messergebnisse führen können. Die Messergebnisse der statischen Eindringtiefe nach 30 Minuten und der dynamischen Eindringtiefe nach 2500 Lastwechsel liegen auf derselben Höhe, wenn die Eindringtiefen sehr niedrig um und unter 1 mm liegen. Zwischen 1 und 2 mm statischer Eindringtiefe sind die dynamischen Eindringtiefen um das 2-3-fache höher. In Übereinstimmung mit DIN EN 13108-20 ist bei einer statischen Eindringtiefe unter 2,5 mm der Wert der dynamischen Eindringtiefe zu ermitteln, da eine deutlichere Differenzierung der Ergebnisse erreicht und die Verformungsbeständigkeit des Gussasphaltes in der Wärme damit besser angesprochen werden kann. Insoweit sind die national geltenden Vorschriften z.B. ZTV Asphalt-StB 07 und die TL Asphalt-StB 07 an die DIN EN anzupassen.

Die bodenmechanischen Eigenschaften von feinkörnigen Böden und gemischtkörnigen Böden mit Feinkornanteilen über 15 M.-% werden maßgeblich von der Konsistenz und der Plastizität des Feinkorns bestimmt. Mittel- und langfristig können an Erdbauwerken, die aus diesen Bodenarten errichtet wurden, Schäden entstehen, wenn Wasserzutritte eine Verringerung der Konsistenz der feinkörnigen Anteile bewirken. Um eine verminderte Scherfestigkeit, Sackungen und Setzungen zu vermeiden, wurden in den ZTV E-StB 09 Verdichtungsanforderungen festgelegt, die neben dem Verdichtungsgrad auch den Luftporenanteil beinhalten. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit sollte untersucht werden, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten der o.g. Böden hat und inwieweit eine Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil eine Verbesserung der dauerhaften Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung eines erhöhten Verdichtungsaufwandes bewirkt. Es wurde zunächst herausgearbeitet, welche Anforderungen hinsichtlich des Luftporenanteils bereits bestehen und inwieweit der Luftporenanteil als Verdichtungsanforderung geeignet ist. Der Luftporenanteil wird hierbei lediglich in Deutschland und Großbritannien als Verdichtungsanforderung genannt. Anhand von fünf Versuchsböden, die nach DIN 18196 den Bodengruppen UL, TM, TA, SU* und GU* zuzuordnen sind, wurde anschließend das Last-Verformungsverhalten bei oedometrischer Belastung und bei Wasserzutritt bei unterschiedlichen Spannungsniveaus untersucht. Die weiteren Laboruntersuchungen umfassten Triaxial- und Wasserdurchlässigkeitsversuche. An einem Probefeld wurden Feldversuche zur Entwicklung des Luftporenanteils bei einer zunehmenden Anzahl an Walzenübergängen durchgeführt. Eindeutige Aussagen zum Einfluss des Luftporenanteils auf das Verformungsverhalten der untersuchten Böden waren anhand der Laboruntersuchungen nur schwer zu treffen. Die Streuung der Versuchsergebnisse ließ zumeist keine eindeutige Systematik hinsichtlich des Einflusses des Einbauzustandes erkennen. Überwiegend wiesen die Versuche, deren Einbaubedingungen innerhalb der nach ZTV E-StB 09 festgelegten Grenzen an Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil lagen, jedoch nur geringe Verformungen auf. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen belegen somit die Eignung der in den ZTV E-StB enthaltenen Verdichtungsanforderungen für Erdbaumaßnahmen. Die Notwendigkeit einer Anpassung bzw. Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil lässt sich aus den Laboruntersuchungen nicht ableiten. Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass mit den auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Walzenzügen eine stetige, signifikante Erhöhung der Trockendichte und eine Verringerung der Luftporenanteile nur bis zu einem bestimmten Grad erreicht werden konnte, indem die Verdichtungsarbeit durch eine Erhöhung der Walzenübergaenge gesteigert wurde. Teilweise bewirkten zusätzliche Walzenübergänge sogar eine Auflockerung des Bodens.

Ziel des Forschungsvorhabens war es zu untersuchen, ob in verschiedenen Prüfstellen mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät hergestellte Asphalt-Probeplatten gleiche Eigenschaften aufweisen, damit z.B. verträgliche Ergebnisse für Performance-Prüfungen ermittelt werden können. Dazu wurde in 12 Prüfstellen ein Verfahrens-Audit durchgeführt, um eine einheitliche Vorgehensweise bei der Herstellung dieser Platten zu gewährleisten. Anschließend wurden aus verschiedenen Asphaltvarianten WSV-Platten hergestellt und an daraus gewonnenen Probekörpern umfangreiche Performance-Prüfungen durchgeführt. Die ermittelten Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist WSV-Platten mit verträglicher Raumdichte in unterschiedlichen WSV-Geräten sowie verschiedenen Prüfstellen herzustellen. Die Ergebnisse der Spurbildungs-, Druck-Schwell- und Zugversuche haben gezeigt, dass die WSV-Platten trotz ähnlicher Raumdichten nicht zwangsläufig verträgliche Ergebnisse im Versuch aufweisen und sich daher in verschiedenen Prüfstellen keine vergleichbaren Ergebnisse für diese Versuche ermitteln lassen. Lediglich bei den Abkühl- und Spaltzug-Schwellversuchen konnten verträgliche Ergebnisse erzielt werden. Für keine der ermittelten Kenngrößen der Performance-Prüfungen ließen sich Zusammenhänge mit der Raumdichte ermitteln. Somit lässt sich die Größe der Ergebnisse bei den Versuchen nicht auf unterschiedliche Größen der Raumdichten der Probekörper zurückführen. Da sich trotz geringer Unterschiede in den Raumdichten nur in ausgewählten Performance-Untersuchungen Unterschiede zeigen, ist davon auszugehen, dass die Streuungen in den Performance-Untersuchungen vornehmlich auf die Sensitivität dieser Versuche zurückzuführen sind. Das Verfahren zur Herstellung von Probekörpern für Performance-Prüfungen aus WSV-Platten scheint aufgrund der Gesamtheit der ermittelten Kenngrößen (Raumdichte, etc.), deren Aussehen, den Erkenntnissen aus dem Verfahrensaudit sowie der Performance-Prüfungen das richtige Verfahren zu sein.

Für die Kontrolle der Herstellung von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) im Straßenoberbau wird eine Referenzdichte benötigt, die in Deutschland und vielen anderen europäischen Staaten durch den Proctorversuch nach DIN EN 13286-2 ermittelt wird. Während eines Proctorversuches wird mit einem Fallgewicht, das auf die Prüfkörperoberfläche nach festgesetzten Parametern fällt, der Hohlraumanteil einer Versuchsprobe reduziert und die Raumdichte erhöht. Durch Wasserzugabe wird der Verdichtungsprozess gefördert, wobei es für eine Versuchsprobe einen Wassergehalt gibt, bei dem sie sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Verdichtungsenergie optimal verdichten lässt und eine maximal erreichbare Trockendichte erzielt. Aufgrund des relativ geringen Feinanteils der Sieblinie eines Baustoffgemisches für ToB ist der Proctorversuch hier jedoch nur eingeschränkt verwendbar, da sich vollständige Verdichtungskurven aufgrund von Entwässerungsprozessen während des Versuches häufig nicht generieren lassen. Statt konvexen werden auch konkave Kurven, lineare Anstiege oder nicht zweckdienliche Kurvenverläufe gemessen, die eine Bestimmung eines optimalen Wassergehaltes und einer Trockendichte nach der gängigen Auswertemethode (Kurvenmaximum) nicht ermöglichen. Zur Herstellung einer ToB werden Baustellenfahrzeuge und -geräte eingesetzt, die zur Verdichtung die Parameter Frequenz, Amplitude und Eigenlast nutzen. Konträr dazu erfolgt die Laborverdichtung, die für die Verdichtung entsprechend Proctorverfahren ein Fallgewicht nutzt. Neben der Tatsache, dass der Proctorversuch für dränierende Baustoffe nicht optimal geeignet ist, besteht somit eine Diskrepanz zwischen der Labor- und der In-situ-Verdichtung. Neben dem Proctorverfahren stehen europäisch genormte Laborverdichtungsverfahren zur Verfügung, die Verdichtungsparameter nutzen, die der In-situ-Verdichtung entsprechen. Aufgrund der vorgestellten Problematik des Proctorversuches wurde daher ein umfassendes Forschungsprojekt durchgeführt, welches das Ziel hatte, Lösungsansätze für dränierende Baustoffe während der Laborverdichtung zu finden. Dies beinhaltete im primären Sinne die Suche nach einem alternativen Verdichtungsverfahren, das die Problematik für dränierende Baustoffe nicht aufweist und das mehr der In-situ-Verdichtung entspricht. Das Forschungsprojekt identifizierte das Vibrationshammerverfahren nach DIN EN 13286-4 als das Verfahren, welches sehr vergleichbare Ergebnisse zum Proctorverfahren liefert. Weiterhin ist dieses Verfahren sehr in-situ konform, leicht in der Handhabung und weniger kostenintensiv. Anhand von Literaturquellen konnte die scheinbare Kohäsion als Ursache für konvexe Verdichtungskurven identifiziert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass Auswertevorgaben für derartige Kurvenverläufe existieren. Weiterhin besteht eindeutig die Möglichkeit ofentrockene Proben zu verdichten und dennoch ein vergleichbares oder leicht erhöhtes Trockendichteergebnis im Vergleich zu einer optimalen Verdichtung zu erzielen. Nachteil hierbei ist jedoch die fehlende Angabe für den Wassergehalt auf der Baustelle. Daher scheint die Vibrationshammerverdichtung mit einem Wassergehalt knapp über der Trockenverdichtung, die beide notwendigen Parameter liefert, ein erfolgversprechender Ansatz zur Lösung der Problematik des Proctorversuches für ToB-Baustoffgemische zu sein.

Zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen sind im Teil 3 der Alkali-Richtlinie des DAfStb vom Februar 2007 das Schnellprüfverfahren (Referenzprüfverfahren (SPV)) bzw. der Mörtelschnelltest (Alternativverfahren (MST)) und der Betonversuch mit Nebelkammerlagerung (40-°C) (NK) vorgesehen. Bisher war nicht abschließend geklärt, ob die für diese Standardprüfungen festgelegten Beurteilungskriterien auch dann Verwendung finden können, wenn die Gesteinskörnungen in Fahrbahndecken aus Waschbeton (hoher Zementgehalt, besonders gestaltete Oberfläche) angewendet werden sollen. Für die Untersuchungen wurden drei alkaliunempfindliche Splitte (Andesit I Mitteldeutschland (MD), Rhyolith Süddeutschland (SD) und Gabbro), ein alkaliempfindlicher Splitt (Rhyolith MD) und zwei "potenziell" alkaliempfindliche Splitte (Andesit II MD, Granodiorit) verwendet. Die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der sechs groben Gesteinskörnungen auf Basis der Ergebnisse der AKR-Performance-Prüfungen ergab, dass drei von ihnen "geeignet für die Feuchtigkeitklasse WS im Hinblick auf die Vermeidung einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)" sind. Bei ausschließlicher Verwendung der Ergebnisse der Standardprüfverfahren nach Alkali-Richtlinie konnte diese Aussage getroffen werden, wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt war: - Alle Gesteinskörnungsprüfungen nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie des DAfStb wurden bestanden. - Der Mörtelschnelltest (Alternativverfahren) nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie wurde bestanden. - Der 60-°C-Betonversuch nach Teil 3 der Alkali-Richtlinie wurde bestanden. Die Begünstigung einer schädigenden AKR durch sich von der Oberfläche abhebende Gesteinskörner (Waschbetonoberfläche) konnte bei den untersuchten Betonzusammensetzungen nicht nachgewiesen werden. Im Bereich der Waschbetonoberflächen wurden keine AKR-Reaktionsprodukte gefunden.